生物质材料能为“双碳”做什么

文章来源:中国能源网碳交易网2021-07-05 11:48

实现“碳达峰、碳中和”的这场仗怎么打?大规模发展可再生能源是一个突破点。
 
生物质能作为最具潜力的可再生能源,已成为我国仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。推进储量丰富和绿色环保的生物质材料资源化利用,是实现“双碳”的有效技术途径,也是我国节能减排和环境保护的重要任务,符合当前环保节能和低碳经济的需求。
 
应用领域正不断扩展
 
可资源化利用的生物质材料主要包括直接利用光合作用合成有机物的植物,如农作物秸秆、稻壳、玉米芯、废弃木材和城市垃圾等;还包括间接利用光合作用产物而形成的有机质,如畜禽粪便、蟹壳、虾皮和贝壳等,以及光能自养型的原核生物藻类。
 
目前,生物质高效综合利用领域分布在能源、生态农业、环境修复、建材等。以能源领域应用为例,包括生物质制乙醇和生物质发电。前者是生物质高效综合利用最传统的途径,我国2018年生物质燃料乙醇产量约为340万吨,逐渐成为液体燃料的重要组成部分;后者在国家财政补贴的大力支持下,发电规模迅速增长,生物质发电量2019年已达1111亿千瓦时。
 
以生态农业领域为例,秸秆还田是重要一环,重点在于秸秆的收集和就近还田。生物质通过堆肥等发酵方法制备的有机肥,可以有效提高农田有机质含量和土壤肥力,完善农作物根系的生态系统功能,实现农作物优质增产。
 
生物质材料未来的应用领域正向高值化利用方向拓展,如模块化建材、生物质碳纤维、生物质储能材料、生物质环境修复材料等。
 
在模块化建材方面,秸秆复合墙板、重组木、新型纤维板、木塑复合材料和生物钢等涉及生物质建材的几大成型产业,将为建筑行业装配式被动房的模块化、环保化和节能化作出重要贡献。
 
在生物质材料还田方面,一些新的应用技术正接近实用化,如生物质可降解地膜、生物炭直接还田等正获得小规模推广。
 
在生物质碳纤维方面,优质的生物质基碳纤维前驱体是重要方向。木质素含碳量比纤维素高,采用干喷湿纺碳化和熔融纺丝的工艺制备木质素碳纤维,提高木质素的热熔性和可纺性是未来的研究趋势。
 
在生物质储能方面,利用生物质材料制备炭材料,用作电池中石墨的替代品,提升锂离子电池的储能性能。在生物质环境修复方面,生物炭材料在其中的应用前景也最大。
 
全面走向实际应用任重而道远
 
然而,生物质材料全面走向应用还存在一些问题。开发哪些种类的生物质材料、如何收集这些生物质原料、如何大规模和多途径地利用生物质材料、如何找到生物质材料制备的新方法等,都是当前亟待解决的问题。
 
可以制备生物质材料的原料种类繁多,筛选时要考虑储量、成本、性能和工艺等多重因素。目前应用比较广泛的生物质有稻草、秸秆、锯末、废弃木材、粪肥、餐厨垃圾、废旧包装纸盒等。这些原料大多具有储量丰富、碳含量高、制备材料工艺简单等特点。
 
我国生物质材料虽然来源广泛,但是耕地较为分散,农业机械化程度低。以大规模开发秸秆为例,全国各地秸秆产量分布不均,收集秸秆需要消耗大量人力物力,由此产生的物流费用是秸秆利用需要考虑的重要因素。因此,推广秸秆就近利用是其走向大规模应用的必然趋势。
 
除此之外,需要不断更新和发明生物质原料制备低碳环保材料的新方法。目前研究较多的是单一组分的生物质材料,而生物质复合材料的研究才刚刚起步,研发复合材料过程中能否实现精细化生产、使用的各种溶剂是否绿色环保,都是未来推广中需要投入研究的重要方面。
 
从管理、经济、技术层面推进
 
尽管生物质材料是实现“碳中和”的经济有效技术,但是该研究仍然处于方兴未艾阶段,有很多工作需要快速推进。
 
从管理层面看,需要大力引导碳中和背景下生物质材料的推广应用,加大生物质材料研究开发的扶持力度和资本投入,通过专项补贴等措施激励生物质低碳固碳利用,并在一段时期内能维持补贴政策的稳定性和执行力度,强化生物质材料在碳中和实现路径中的战略地位。
 
从经济层面看,将生物质材料对碳中和的贡献纳入碳排放交易市场,用生物质材料的负碳排放贡献通过碳排放权的登记、交易和结算,获得的相应回报支付农民的燃料收购,可以为乡村提供更多就业岗位,符合我国乡村振兴战略,也有利于推进美丽乡村建设。同时,将生物质材料应用的各个领域纳入绿色金融支持范围,扶持生物质材料的各个产业链。
 
从技术层面看,需要吸引更多能源、材料、环保和农业等领域的人才,投身生物质材料应用开发。通过实验室研究、中试测试和产业化推广三者结合,不断完善生物质材料加工技术的清洁化。针对不同规模的生物质材料利用项目,设计不同的非标准规范和要求,未来进一步完善生物质材料行业的技术指南、建设规程和行业标准,推动行业持续快速发展。
 
开发利用生物质材料,能够同时实现环境治理、供应清洁能源和应对气候变化,具有多重环境效益和社会效益,符合我国生态文明建设思想,是实现生态环境保护、建设美丽中国等国家战略的重要途径。在“双碳”背景和“十四五”规划开局之际,生物质材料将以其绿色环保、量多价廉、可再生的优势,迎来更为广泛的发展。
 
研发更加清洁的制备方法、优化现有的制备工艺、提高复合材料的产率、实现工业化大规模生产,是未来生物质材料研发有待进一步解决的问题。
 
(作者单位:东华大学环境科学与工程学院)

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